WO2010092027A1 - Keramisches elektronisches mehrschichtbauelement und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Keramisches elektronisches mehrschichtbauelement und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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dielectric
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ceramic
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Günter PUDMICH
Hannes Schiechl
Edmund Payr
Thomas Feichtinger
Werner Salz
Christian Hoffmann
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    • H03H2001/0085—Multilayer, e.g. LTCC, HTCC, green sheets

Definitions

  • the invention relates to a ceramic multilayer component with a varistor and its manufacture
  • Discrete components with varistor function can be used as protective components against ESD (electrostatic discharge).
  • ESD electrostatic discharge
  • One possible use is z.
  • high-frequency filters for example, for mobile, in the frequency range of 0.5 - 5 GHz to protect these filters or to protect downstream or upstream electronics such as SignalVerproofrn.
  • these devices can also provide EMI protection. It is therefore a so-called EMI-ESD protection device.
  • the object of the present invention is therefore to specify a monolithic ceramic multilayer component in which, in addition to a varistor function, at least one other component function is integrated, without the varistor functionality being unduly impaired as a result.
  • a dielectric ceramic material was found which can be co-sintered with a varistor ceramic to form a monolithic multilayer component according to the invention.
  • the multilayer component therefore comprises at least a layer of a varistor ceramic and another layer of a dielectric. Both layers can be arranged directly adjacent in the multilayer component. At sintering, interdiffusion between the layers limited to a narrow reaction zone of typically 1 ⁇ m between the two layers occurs at best, which at best negligibly negatively affects the electrical properties of the varistor.
  • the critical varistor properties such as low reverse current and high pulse stability are retained in the multilayer component.
  • metallizations are arranged on or between the ceramic layers, which are structured into conductor sections and metallized surfaces.
  • the metallizations form together with the ceramic in addition to a varistor at least one further component which is selected from at least one of the component functions capacitance, resistance and inductance.
  • the inner metallizations are introduced prior to sintering, metallizations arranged on outer layers or side surfaces can also be produced or applied after the sintering of the multilayer component.
  • Conductor portions and metallized areas disposed in different levels of the multi-layer device may be electrically interconnected by vias through one or more layers.
  • all integrated individual components can be electrically interconnected and together result in a functional circuit, for. B. an RF filter circuit.
  • the dielectric consists of different proportions of the following three stoichiometric compounds: Zn 3 TaO 8 , Zn 2 TaO 6 and Bi 2 Zn 2 / 3Ta 4 / 3 ⁇ 7 .
  • the mixture contains at least one of the compounds mentioned.
  • individual ions may be partially replaced stoichiometrically in the compounds.
  • the Zn may be partially replaced by one or more of Ni, Co, Fe, Cu, Mg and Ca.
  • Zn is advantageously up to a maximum of about 30 atom% replaced by one or more of said ions.
  • Zn can also be replaced by Ca and Mg up to 100%.
  • Ta may be partially replaced by Nb.
  • compounds are preferred in which only a smaller part of the Ta is replaced. With too much Nb there is a risk in individual cases that the sintering temperature is too low and the diffusion becomes too great.
  • the Bi may be partially replaced by one or more rare earths, selected in particular from La and Nd. Bi is advantageously up to a maximum of about 30 atom% replaced by one or more of said ions.
  • M stands for Ni, Co or Ca.
  • SE stands for one or more rare earths.
  • index x, y and z which in each case gives the proportion of the ions replaced in each case relative to the starting compound, independently of one another 0 ⁇ x, y, z ⁇ 1 applies. This means that not all portions of the parent ions are replaced or absolutely none.
  • X and z are advantageous as already mentioned above to max. 0.3 and y to max. 0.5 limited.
  • the varistor ceramic may be based on a doped zinc oxide. This can be doped with Bi and Sb as Hauptdotierstoff to each about 3-5 atom%. At least one of Ni, Co and Cr may also be present in a proportion of up to about 0.5 atom% as secondary dopants.
  • varistor ceramics based on doped zinc and praseodymium oxide are compatible with are the dielectric and can also be sintered without substantial restriction of the varistor functionality together with the proposed dielectric.
  • a dielectric constant of about 400 results.
  • the dielectric constant of the dielectric is generally between 20 and 100, and thus by a factor of 5 to 10 lower. This results in a broad selection range for the component functions that can be realized with them, with which virtually all useful values for the component functions can be set.
  • the variability in the design of circuits is substantially increased and therefore improved.
  • the structured metallizations that form the integrated L and C elements can be arranged on one and both sides adjacent to a layer of the dielectric and use this as a dielectric.
  • components which use the varistor ceramic as a dielectric can also be formed in the multilayer component.
  • the multi-layer component requires a sintering temperature of 950-1300 0 C.
  • the metallizations can be made of a conductive paste whose metallic components z. Ag / Pd alloy or Au. Pure silver is not suitable because of the high sintering temperature.
  • the layers with the varistor ceramic and the dielectric can be arranged directly adjacent to one another or in the stack of the multilayer component one above the other.
  • a multilayer component may have a sandwich structure, in which a respective other of the dielectric or the varistor ceramic is arranged between two identical layers of the varistor ceramic or of the dielectric, wherein the layers are arranged directly above one another in sandwich construction.
  • one or more further foreign layers of other materials may be included as partial layers, if it is excluded that they are in direct contact with the varistor ceramic.
  • various passive components can be integrated, wherein in addition to a varistor nor R and C, L and C, or R, L and C elements are integrated.
  • an RF filter circuit made of R, C or L elements can be integrated in the monolithic block, wherein the varistor can be connected as a protective component parallel to the RF filter circuit to ground.
  • the varistor fulfills two functions as ESD and as EMI protection. Through its varistor function, it can harmlessly derive harmful current pulses, which are typical for ESD.
  • a varistor usually has a capacity due to its design. With a capacity in a parallel branch to ground he therefore fulfills a rudimentary filter function with a stopband. By suitable dimensioning or by a suitably selected capacitance value of the varistor, this blocking region can be suitably selected or set become.
  • the varistor can also function as an EMI protection device.
  • first green sheets for the layer (s) of varistor ceramic and second green sheets for the dielectric are produced with the aid of a binder, preferably an organic material of corresponding viscosity, for example by film casting.
  • the metallizations are printed on the green sheets on one side and on both sides with a sinterable conductive paste, for example by means of
  • At least one first and second green sheets are placed one above the other, aligned with respect to the metallizations and laminated together to form a film composite. Then the film composite is sintered together.
  • Vias are punched into the green sheets at corresponding points provided for through-contacts and filled with a conductive material before the sheets are laminated to the film composite.
  • FIG. 1 shows a first monolithic layer composite with two layers
  • FIG. 2 shows a second monolithic layer composite of three layers
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram for a functional circuit integrated in the multilayer component
  • FIG. 5 shows a multilayer component with a varistor in cross section
  • FIG. 6 shows a multilayer component with a variant of a varistor in cross section
  • FIG. 7 shows a multilayer component with a further variant of a varistor in cross section.
  • FIG. 1 shows a monolithic layer composite of a
  • Multilayer component with two layers: one layer of a varistor ceramic VK and another layer a dielectric D.
  • VK varistor ceramic
  • D dielectric
  • external contacts are provided on one of the outwardly facing surfaces of one of the layers, in particular the dielectric, with which the multilayer component and the interconnection contained therein with the outside world, in particular a circuit environment, for. B. can be connected to a PCB.
  • FIG. 2 shows a monolithic layer composite of a multilayer component with at least three alternating layers: a first layer of a dielectric D1, a layer of a varistor ceramic VK and a second layer of a dielectric D2.
  • FIG. 3 likewise shows a monolithic layer composite of a multilayer component with at least three alternating layers: a first layer of a varistor ceramic VK, a layer of a dielectric D 1 and a second layer of a varistor ceramic VK.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram for a functional circuit integrated in the multilayer component.
  • a serial signal path is connected, which comprises a filter circuit FS.
  • This is z. B. in LC technique or another embodied in a ceramic multilayer component technology.
  • Parallel to the signal path is a transverse branch against
  • varistor V Ground connected, in which a varistor V is arranged.
  • the varistor with its varistor function as ESD Protective device and function with its filter function as EMI protection device.
  • FIG. 5 shows a layer of varistor ceramic VK with a simple exemplary metallization with which a
  • Varistor V shows. For this purpose, overlapping electrodes El and El in the form of a baked conductive paste are formed at the top and bottom of the layer of the varistor ceramic VK. It can be seen that this varistor V forms a significant capacity.
  • the further layers of the multilayer structure MS of the multilayer component are indicated by further lines.
  • FIG. 6 shows a layer of varistor ceramic VK with an exemplary metallization with which a varistor V can be represented. Above and / or below on the layer of the varistor VK are spaced apart but formed on the same layer surface electrodes El and El in the form of a baked conductive paste. It can be seen that this varistor V is not worth mentioning
  • the multilayer structure MS can comprise further layers, which are indicated by further lines.
  • FIG. 7 shows a layer of varistor ceramic VK with an exemplary metallization with which a varistor V can be represented.
  • two electrodes Ell and E21 or E12 and E22 in the form of a baked-in conductive paste are formed on one layer surface at a distance from one another. Belonging to the same electrode metallizations Ell and E21 or E12 and E22 are interconnected by a feedthrough DK.
  • the varistor functionality can now act on two electrode pairs.
  • each layer can comprise a plurality of similar sublayers, between each of which structured metallizations are arranged.

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Abstract

Es wird ein Mehrschichtbauelement angegeben, das ein dielektrisches keramisches Material umfasst, welches sich mit einer Varistorkeramik zu einem erfindungsgemäßen monolithischen Mehrschichtbauelement co-sintern lässt. Das Mehrschichtbauelement umfasst daher eine Schicht einer Varistorkeramik und eine andere Schicht eines Dielektrikums. Beide Schichten können im Mehrschichtbauelement unmittelbar benachbart angeordnet sein. Im Mehrschichtbauelement sind auf oder zwischen den keramischen Schichten Metallisierungen angeordnet, die zu Leiterabschnitten und metallisierten Flächen strukturiert sind. Die Metallisierungen bilden zusammen mit den Keramikschichten neben einem Varistor zumindest ein weiteres Bauelement aus, welches ausgewählt ist aus zumindest einer der Bauelementfunktionen Kapazität, Widerstand und Induktivität.

Description

Beschreibung
KERAMISCHES ELEKTRONISCHES MEHRSCHICHTBAUELEMENT UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein keramisches Mehrschichtbauelement mit einem Varistor und dessen Herstellung
Diskrete Bauelemente mit Varistorfunktion können als Schutzbauelemente gegen ESD (electro static discharge) eingesetzt werden. Ein mögliche Verwendung ergibt sich z. B. bei Hochfrequenz-Filtern beispielsweise für den Mobilfunk, im Frequenbereich von 0,5 - 5 GHz zum Schutz dieser Filter oder zum Schutz nach- oder vorgeschalteter Elektronik wie beispielsweise SignalVerstärkern.
Diese Bauelemente können neben der Schutzfunktion gegen ESD gleichzeitig auch eine Schutzfunktion gegen EMI sicherstellen. Es handelt sich also um ein sogenanntes EMI-ESD- Schutzbauelement .
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Varistoren ist der sogenannte Sperrstrom, der auch unterhalb einer abzuleitenden Überspannung zwischen den Varistorelektroden fließt. Ein zu hoher Sperrstroms würde zu einer Einschränkung der Funktionalität insbesondere bei portablen Geräten, wie z. B. dem Handy, zu einer zu schnellen Akkuentladung führen. Weiter muss eine genügende Stabilität der elektrischen Eigenschaften während der Lebensdauer des Bauelements und insbesondere des Geräts, in das das Bauelement eingebaut ist, sichergestellt werden.
Insbesondere bei portablen Geräten wird eine Miniaturisierung der verwendeten Bauelemente und insbesondere eine Integration verschiedener Bauelementfunktionen in einem gemeinsamen Bauelement angestrebt. Bislang ist es aber nicht gelungen, Varistoren in monolithische keramische Mehrschichtbauelemente zu integrieren, ohne dass dabei eine zu hohe Degradation der elektrischen Eigenschaften des Varistors in kauf genommen werden musste. Varistorkeramiken sind bezüglich der Zusammensetzung gegen Diffusion empfindlich und können daher bisher nicht zusammen mit anderen Keramiken gesintert zu monolithischen Bauelement co-gesintert werden.
Aus der DE 102 006000935 Al ist ein Verfahren bekannt, mit dem keramische Funktionsschichten zusammen mit Sapannschichten auf der Basis einer Glaskeramik verzugsarm zu einem monolithischen Mehrschichtbauelement co-gesintert werden können. Auch tritt beim Sintern eine unzulässige Degradation der Varistorkeramik ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein monolithisches keramisches Mehrschichtbauelement anzugeben, in dem neben einer Varistorfunktion noch zumindest eine andere Bauelement-Funktion integriert ist, ohne dass die dadurch die Varistorfunktionalität unzulässig beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mehrschichtbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein Verfahren zur Herstellung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wurde ein dielektrisches keramisches Material gefunden, welches sich mit einer Varistorkeramik zu einem erfindungsgemäßen monolithischen Mehrschichtbauelement co-sintern lässt. Das Mehrschichtbauelement umfasst daher mindestens eine Schicht einer Varistorkeramik und eine andere Schicht eines Dielektrikums. Beide Schichten können im Mehrschichtbauelement unmittelbar benachbart angeordnet sein. Es findet beim Sintern bestenfalls eine auf eine schmale Reaktionszone von typischerweise lμm zwischen den beiden Schichten begrenzte Interdiffusion zwischen den Schichten statt, die die elektrischen Eigenschaften des Varistors bestenfalls unwesentlich beeinträchtigen. Die kritischen Varistoreigenschaften wie niedriger Sperrstrom und hohe PuIs- Stabilität bleiben im Mehrschichtbauelement erhalten.
Im Mehrschichtbauelement sind auf oder zwischen den keramischen Schichten Metallisierungen angeordnet, die zu Leiterabschnitten und metallisierten Flächen strukturiert sind. Die Metallisierungen bilden zusammen mit der Keramik neben einem Varistor zumindest ein weiteres Bauelement aus, welches ausgewählt ist aus zumindest einer der Bauelementfunktionen Kapazität, Widerstand und Induktivität.
Die Innenmetallisierungen werden vor dem Sintern eingebracht, auf äußeren Schichten oder Seitenflächen angeordnete Metallisierungen können auch nach dem Sintern des Mehrschichtbauelements erzeugt bzw. aufgebracht werden. Leiterabschnitte und metallisierte Flächen, die in unter- schiedlichen Ebenen des Mehrschichtbauelement angeordnet sind, können durch Vias durch eine oder mehrere Schichten hindurch elektrisch miteinander verbunden sein. Somit können im Mehrschichtbauelement sämtliche integrierten Einzelbauelemente elektrisch miteinander verschaltet sein und zusammen eine Funktionsschaltung ergeben, z. B. eine HF Filterschaltung . Durch die erfindungsgemäß ermöglichte monolithische Integration diverser Bauelementfunktionen können platz- und kostensparende Bauelemente hergestellt werden.
Das Dielektrikum besteht aus unterschiedlichen Mengenanteilen der folgenden drei stöchiometrischen Verbindungen: Zn3TaO8, Zn2TaO6 und Bi2Zn2/3Ta4/3θ7. In der Mischung ist zumindest eine der genannten Verbindungen enthalten.
In weiterer Ausgestaltung können in den Verbindungen einzelne Ionen teilweise stöchiometrisch ersetzt sein. So kann das Zn teilweise durch eines oder mehrere aus Ni, Co, Fe, Cu, Mg und Ca ersetzt sein. Vorteilhaft ist Zn bis maximal ca. 30 Atom% durch eines oder mehrere der genannten Ionen ersetzt. Zn kann durch Ca und Mg auch bis zu 100% ersetzt sein.
Ta kann teilweise durch Nb ersetzt sein. Bevorzugt sind jedoch Verbindungen, bei denen nur ein kleinerer Teil des Ta ersetzt ist. Mit zuviel Nb besteht im Einzelfall die Gefahr, dass die Sintertemperatur zu niedrig und die Diffusion zu groß wird.
Das Bi kann teilweise durch eine oder mehrere Seltene Erden ersetzt sein, die insbesondere ausgewählt aus La und Nd. Vorteilhaft ist Bi bis maximal ca. 30 Atom% durch eines oder mehrere der genannten Ionen ersetzt.
Mit den möglichen Substitutionen ergibt sich für das Dielektrikum eine Zusammensetzung gemäß folgender Summenformel:
(Zn (3-Sx)M3xTa (1_y)M'yO8)k( Zn (2-2X)M2xTa (i-y)M'yO6)m
(Bi(2_2z)SE2zZn (2/3-2x/3)M(2x/3Ta (4/3-4y/3)M' 4y/3θ7) n In dieser Summenformel gilt für die Summe der die Verbindungsanteile der Reinphasen angebenden Indices k+n+m = 1, und wobei für jeden Index k, m, n unabhängig voneinander gilt: 0 ≤ k,m, n ≤ 1. In dieser Formel ist noch nicht berücksichtigt, dass dem Dielektrikum bis zu 5 Gewichtsprozent einer Komponente, die das Schwundverhalten beim Sintern anpasst, zugefügt sein können.
In der Summenformel steht M für Ni, Co oder Ca. M' steht für Nb oder Sb. SE steht für eine oder mehrere Seltene Erden. Für jeden Index x, y und z, der jeweils auf 1 normiert den Anteil der jeweils gegenüber der Ausgangsverbindung ersetzten Ionen angibt, gilt unabhängig voneinander 0 ≤ x,y,z < 1. Das bedeutet, dass nicht alle Anteile der Ausgangsionen ersetzt sind oder gar keine.
Vorteilhaft sind x und z wie oben bereits erwähnt auf max . 0,3 und y auf max. 0,5 beschränkt.
Im gesinterten Dielektrikum des Mehrschichtbauelements lassen sich je nach genauer Zusammensetzung der drei eingesetzten Verbindungen entsprechende separierte Reinphasenund eine ternäre Mischphase beobachten. Auch kubische Struktureinheiten können sich ausbilden.
Die Varistorkeramik kann auf der Basis eines dotierten Zinkoxids beruhen. Dieses kann mit Bi und Sb als Hauptdotierstoff bis jeweils ca. 3-5 Atom% dotiert sein. Als Nebendotierstoffe können noch zumindest eines aus Ni, Co und Cr in einem Anteil bis ca. 0,5 Atom% enthalten sein.
Es hat sich gezeigt, dass auch Varistorkeramiken auf der Basis von dotiertem Zink- und Praseodymoxid kompatibel mit dem Dielektrikum sind und sich ebenfalls ohne wesentliche Einschränkung der Varistorfunktionalität zusammen mit dem vorgeschlagenen Dielektrikum gesintert werden können.
Für die Varistorkeramik ergibt sich eine Dielektrizitätskonstante von ca. 400. Die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums liegt in der Regel zwischen 20 und 100 und damit um den Faktor 5 bis 10 niedriger. Damit ergibt sich für die daraus realisierbaren Bauelementfunktionen ein breiter Auswahlbereich, mit dem praktisch alle sinnvollen Werte für die Bauelementfunktionen einstellen lassen. Gegenüber einer reinen Varistorkeramik, die prinzipiell auch alleine als Dielektrikum eingesetzt werden kann, ist so die Variabilität beim Entwurf von Schaltungen wesentlich erhöht und daher verbessert.
Im monolithischen Block können die strukturierten Metallisierungen, die die integrierten L und C Elemente ausbilden, ein- und beidseitig benachbart zu einer Schicht des Dielektrikums angeordnet sind und dieses als Dielektrikum nutzen. Es können jedoch im Mehrschichtbauelement auch Bauelemente ausgebildet sein, die die Varistorkeramik als Dielektrikum nutzen.
Das Mehrschichtbauelement erfordert eine Sintertemperatur von 950 - 13000C. Als Elektrodenmaterialien für die Metallisierungen kommen daher nur entsprechend beständige Metalle und Legierungen in Frage. Die Metallisierungen können aus einer leitfähigen Paste hergestellt werden, deren metallische Bestandteile z. B. Ag/Pd Legierung oder Au umfassen. Reines Silber ist wegen der hohen Sintertemperatur nicht geeignet. Im Mehrschichtbauelement können die Schichten mit der Varistorkeramik und dem Dielektrikum direkt benachbart bzw. im Stapel des Mehrschichtbauelement übereinander angeordnet werden. Ein Mehrschichtbauelement kann einen Sandwichaufbau aufweisen, bei dem zwischen zwei gleichartigen Schichten der Varistorkeramik oder des Dielektrikums eine jeweils andere des Dielektrikums oder der Varistorkeramik angeordnet ist, wobei die Schichten im Sandwichaufbau direkt übereinander angeordnet sind.
Im Mehrschichtbauelement können eine oder mehrere weitere Fremdschichten aus anderen Materialien als Teilschichten mit enthalten sein, wenn ausgeschlossen ist, dass sie in direktem Kontakt mit der Varistorkeramik stehen.
Im Mehrschichtbauelement können diverse passive Bauelemente integriert sein, wobei neben einem Varistor noch R und C, L und C, oder R, L und C Elemente integriert sind.
Im Mehrschichtbauelement kann im monolithischen Block eine HF Filterschaltung aus R, C oder L Elementen integriert ausgebildet sein, wobei der Varistor als Schutzbauelement parallel zu der HF Filterschaltung gegen Masse geschaltet werden kann. In dieser Schaltungsanordnung erfüllt der Varistor zwei Funktionen als ESD und als EMI Schutz. Über seine Varistorfunktion kann er schädliche Strompulse, wie sie für ESD typisch sind, unschädlich ableiten. Zum Anderen weist ein Varistor aufgrund seiner Bauweise in der Regel auch eine Kapazität auf. Mit einer Kapazität in einem Parallelzweig gegen Masse erfüllt er daher eine rudimentäre Filterfunktion mit einem Sperrbereich. Durch geeignete Dimensionierung bzw. durch einen geeignet gewählten Kapazitätswert des Varistors kann dieser Sperrbereich geeignet gewählt bzw. eingestellt werden. Damit kann der Varistor auch als EMI Schutzbauelement fungieren .
Es wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtbauelements angegeben, bei dem Ausgangsstoffe verwendet werden, die die Ionen der entsprechenden späteren Keramik im richtigen stöchiometrischen Verhältnis enthalten, üblicherweise Oxide oder in Oxide überführbare andere Salze. Diese werden möglichst homogen vermischt, insbesondere durch Mahlen. An das Mahlen kann sich ein Calcinierungsschritt und nochmaliges Vermählen anschließen. Aus den homogen vermischten Ausgangsstoffen werden mit Hilfe von einem Binder, vorzugsweise ein organisches Material entsprechender Viskosität, erste Grünfolien für die Schicht (en) aus Varistorkeramik und zweite Grünfolien für das Dielektrikum hergestellt, beispielsweise durch Foliengießen.
Nach Trocknen der Grünfolien werden auf die Grünfolien ein- und beidseitig mit einer sinterfähigen leitfähigen Paste die Metallisierungen aufgedruckt, beispielsweise mittels
Siebdruck. Anschließend werden zumindest je eine erste und zweite Grünfolie übereinander gelegt, bezüglich der Metallisierungen ausgerichtet und zu einem Folienverbund zusammen laminiert. Dann wird der Folienverbund zusammen gesintert.
In die Grünfolien werden an entsprechenden für Durch- kontaktierungen vorgesehenen Stellen Vias gestanzt und mit einem leitfähigen Material befüllt, bevor die Folien zum Folienverbund laminiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu. Einzelne Elemente können zur besseren Sichtbarkeit maßstäblich verzerrt dargestellt sein, so dass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben zu entnehmen sind.
Es zeigen
Figur 1 einen ersten monolithischen Schichtverbund mit zwei Schichten,
Figur 2 einen zweiten monolithischen Schichtverbund aus drei Schichten,
Figur 3 einen dritten monolithischen Schichtverbund aus drei Schichten mit gegenüber Figur 2 invertierter
Anordnung,
Figur 4 ein Ersatzschaltbild für eine im Mehrschichtbauelement integrierte Funktionsschaltung,
Figur 5 ein Mehrschichtbauelement mit einem Varistor im Querschnitt,
Figur 6 ein Mehrschichtbauelement mit einer Variante eines Varistors im Querschnitt,
Figur 7 ein Mehrschichtbauelement mit einer weiteren Variante eines Varistors im Querschnitt.
Figur 1 zeigt einen monolithischen Schichtverbund eines
Mehrschichtbauelement mit zwei Schichten: einer Schicht des einer Varistorkeramik VK und eine andere Schicht ein Dielektrikum D. Der Übersichtlichkeit halber sind keine Metallisierungen oder diese ausbildenden Bauelemente dargestellt. Mit solchen Metallisierungen, die auf oder zwischen den Schichte angeordnet sein können, können alle Bauelementfunktionen R, L und C sowie der Varistor realisiert werden. Üblicherweise sind auf einer der nach außen weisenden Oberflächen einer der Schichten, insbesondere dem Dielektrikum Außenkontakte vorgesehen, mit der das Mehrschichtbauelement und die darin enthaltene Verschaltung mit der Außenwelt, insbesondere einer Schaltungsumgebung, z. B. einem PCB verbunden werden kann.
Figur 2 zeigt einen monolithischen Schichtverbund eines Mehrschichtbauelement mit zumindest drei alternierenden Schichten: eine erste Schicht eines Dielektrikum Dl, eine Schicht einer Varistorkeramik VK und eine zweite Schicht eines Dielektrikum D2.
Figur 3 zeigt ebenfalls einen monolithischen Schichtverbund eines Mehrschichtbauelement mit zumindest drei alternierenden Schichten: eine erste Schicht einer Varistorkeramik VK, eine Schicht eines Dielektrikum Dl und eine zweite Schicht einer Varistorkeramik VK.
Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine im Mehrschicht- bauelement integrierte Funktionsschaltung. Zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss Tl, T2 ist ein serieller Signalpfad geschaltet, der eine Filterschaltung FS umfasst. Diese ist z. B. in LC Technik oder einer anderen in ein keramisches Mehrschichtbauelement integrierbaren Technik ausgeführt. Parallel zum Signalpfad ist ein Querzweig gegen
Masse geschaltet, in dem ein Varistor V angeordnet ist. Hier kann der Varistor mit seiner Varistorfunktion als ESD Schutzbauelement und mit seiner Filterfunktion als EMI Schutzbauelement fungieren.
Figur 5 zeigt eine Schicht Varistorkeramik VK mit einer einfachen beispielhafte Metallisierung, mit der sich ein
Varistor V darstellen lässt. Dazu sind oben und unten auf der Schicht der Varistorkeramik VK einander überlappende Elektroden El und El in Form einer eingebrannten leitfähigen Paste ausgebildet. Es ist ersichtlich, dass dieser Varistor V eine nennenswerte Kapazität ausbildet. Die weiteren Schichten des Mehrschichtaufbaus MS des Mehrschichtbauelements sind durch weitere Linien angedeutet.
Figur 6 zeigt eine Schicht Varistorkeramik VK mit einer beispielhafte Metallisierung, mit der sich ein Varistor V darstellen lässt. Oben und/oder unten auf der Schicht der Varistorkeramik VK sind beabstandet zueinander aber auf der selben Schichtoberfläche Elektroden El und El in Form einer eingebrannten leitfähigen Paste ausgebildet. Es ist ersichtlich, dass dieser Varistor V keine nennenswerte
Kapazität ausbildet. Der Mehrschichtaufbaus MS kann weitere Schichten umfassen, die durch weitere Linien angedeutet sind.
Figur 7 zeigt eine Schicht Varistorkeramik VK mit einer beispielhafte Metallisierung, mit der sich ein Varistor V darstellen lässt. Oben und unten auf der Schicht der Varistorkeramik VK sind auf je einer Schichtoberfläche beabstandet zueinander je zwei Elektroden Ell und E21 bzw. E12 und E22 in Form einer eingebrannten leitfähigen Paste ausgebildet. Zur gleichen Elektrode gehörenden Metallisierungen Ell und E21 bzw. E12 und E22 sind durch eine Durchkontaktierung DK miteinander verbunden. Die Varistorfunktionalität kann nun an zwei Elektrodenpaaren wirken. Für alle Ausführungen des Mehrschichtbauelements gilt, dass jede Schicht ein Mehrzahl gleichartiger Teilschichten umfassen kann, zwischen denen jeweils strukturierte Metallisierungen angeordnet sind. So lassen sich insbesondere für den zumindest einen Varistor V oder eine Kondensator Vertikal zu den Schichtebenen stehende Kammartig Elektroden ausbilden, wie es z. B. in Figur 8 für eine Kammelektrode mit zwei „Zähnen" bereits angedeutet ist. Mit insbesondere interdigital ineinander geschobenen Kammelektroden lassen sich hohe Kapazitätswerte für einen Kondensator oder auch einen Varistor realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Mehrschichtbauelement welches zu einem monolithischen Block versintert ist, wobei eine Schicht des Mehrschichtbauelement eine
Varistorkeramik und eine andere Schicht ein Dielektrikum umfasst, bei dem auf oder zwischen den Schichten Metallisierungen angeordnet sind, die zu Leiterabschnitten und metallisierten Flächen strukturiert sind, bei dem durch die Metallisierungen und die Schichten ein Varistor und zumindest ein weiteres Bauelement realisiert sind, das eine Kapazität, einen Widerstand oder ein Induktivität umfasst, bei dem ein Anteil von zumindest 95 - 100
Gewichtsprozent des Dielektrikums eine Zusammensetzung (Zn (3-Sx)M3xTa (i-y)M'yO8)k( Zn (2-2X)M2xTa (1-y)M'yO6)m (Bi(2-2z)SE2ZZn(2/3-2X/3)M(2x/3Ta(4/3-4y/3)M'4y/3θ7)n aufweist, wobei die Summe k+n+m = 1, und wobei für jeden Index k, m, n unabhängig voneinander gilt: 0 < k,m,n < 1 wobei M für Ni, Co, Fe, Cu, Mg oder Ca steht wobei M' für Nb oder Sb steht und wobei SE für eine oder mehrere Seltene Erden steht, wobei für jeden Index x, y und z unabhängig voneinander gilt 0 < x, y, z < 1, wobei für den Fall, dass der genannte Anteil des Dielektrikums weniger als 100% beträgt, die auf 100% fehlenden Anteile eine Komponente zur Anpassung des Schwundverhaltens umfassen.
2. Mehrschichtbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Varistorkeramik auf der Basis eines dotierten Zinkoxids beruht.
3. Mehrschichtbauelement nach Anspruch 2, bei dem in der Varistorkeramik Dotierstoffe in einem Anteil von je 2-3 Atom% enthalten sind, die ausgewählt sind aus Bi und Sb.
4. Mehrschichtbauelement nach Anspruch 2 oder 3, bei dem in der Varistorkeramik Dotierstoffe in einem jeweiligen Anteil bis 0,5 Atom% enthalten sind, die ausgewählt sind aus Ni, Co und Cr.
5. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Metallisierungen aus gesinterter leitfähiger Paste ausgebildet sind und Silber und Palladium umfassen .
6. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die Schicht der Varistorkeramik und die Schicht des Dielektrikums im Mehrschichtbauelement direkt übereinander angeordnet sind.
7. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-6, das einen Sandwichaufbau aufweist, bei dem zwischen zwei gleichartigen Schichten der Varistorkeramik oder des
Dielektrikums eine jeweils andere des Dielektrikums oder der Varistorkeramik angeordnet sind, wobei die Schichten im Sandwichaufbau direkt übereinander angeordnet sind.
8. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-7, in dem diverse passive Bauelemente integriert sind, wobei neben einem Varistor noch R und C, L und C, oder R, L und C Elemente integriert sind.
9. Mehrschichtbauelement nach Anspruch 8, bei dem im monolithischen Block eine HF Filterschaltung aus R, C oder L Elementen integriert ausgebildet ist, wobei der Varistor als Schutzbauelement parallel zu der HF Filterschaltung gegen Masse geschaltet ist.
10. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem im monolithischen Block die strukturierten Metallisierungen, die die integrierten L und C Elemente ausbilden, ein- und beidseitig benachbart zu einer Schicht des Dielektrikums angeordnet sind und dieses als Dielektrikum nutzen.
11. Mehrschichtbauelement nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante zwischen 15 und 100 aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtbauelements nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem erste Grünfolien, die Ausgangsstoffe für die Varistorkeramik und zweite Grünfolien, die Ausgangsstoffe für das Dielektrikum im richtigen stöchiometrischen Verhältnis enthalten, bereitgestellt werden, bei dem auf die Grünfolien ein- und beidseitig mit einer sinterfähigen leitfähigen Paste die Metallisierungen aufgedruckt werden, bei dem zumindest je eine erste und zweite Grünfolie übereinander gelegt, bezüglich der Metallisierungen ausgerichtet und zu einem Folienverbund zusammen laminiert werden, bei dem der Folienverbund zusammen gesintert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in die Grünfolien Vias zur Herstellung von Durchkontaktierungen gestanzt und mit einem leitfähigen Material befüllt werden, bevor die Folien zum Folienverbund laminiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-13, bei dem zur Herstellung der zweiten Grünfolien die
Ausgangsstoffe in Form von Metalloxiden im gewünschten stöchiometrischen Verhältnis eingesetzt und durch Mahlen homogen vermischt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Ausgangsstoffe nach dem Vermählen vor dem Herstellen der Grünfolien calciniert und anschließend noch einmal vermählen werden.
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